СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАНИЙ ЛОПАТОК ТУРБИН И КОМПРЕССОРОВ Российский патент 1998 года по МПК G01H11/06 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для бесконтактного измерения и непрерывного контроля амплитуды колебаний турбинных и компрессорных лопаток в эксплуатационных условиях при рабочем вращении ротора.

Область применения изобретения массовым выпуском и использованием агрегатов, которые могут попадать в аварийные ситуации из-за чрезмерных вибраций турбинных и компрессорных лопаток, приводящих к их разрушению вследствие усталости. Это означает весьма широкую область применения изобретения: стационарные и транспортные энергетические установки (гидро-, паро- и газотурбинные), компрессоры к ним, а также агрегаты газо- и гидротранспорта, воздуходувки и др.

Уровень техники измерения амплитуды колебаний лопаток на вращающемся роторе (тем более в эксплуатационном режиме турбин) составляет желать лучшего: до настоящего времени используются методы получения информации, поступающей от датчиков, закрепляемых на лопатках, что требует коллекторных или беспроволочных ("по радио") способов передачи данных, а также стробоскопические или оптические методы, применимые при частотном раскрытии корпуса агрегатов. Это существенно ограничивает возможности контроля за режимами колебаний турбинных лопаток в эксплуатационных условиях. Поэтому, выбирая в качестве прототипа систему измерения амплитуд колебаний турбинных лопаток на вращающемся роторе, предусматривающую присоединение датчиков к лопаткам (например, наклейку тензорезисторов на перо или основание лопатки), можно отметить существенные преимущества изобретения: избавление от необходимости закреплять датчики на лопатках, монтировать соответствующую электропроводку и приспосабливать коллектор или беспроволочные устройства для передачи информации. Без всего этого можно обойтись, значительно упростив и удешевив контрольно-измерительную аппаратуру, тем самым сделав возможным установку этой аппаратуры на каждый реальный агрегат, что обеспечит своевременность выявления опасных вибраций лопаток и предотвратить многие аварийные ситуации.

Сущность изобретения в значительной степени раскрывается поставленной целью: создать систему, дающую возможность контролировать амплитуду колебаний каждой турбинной лопатки бесконтактным образом (не прибегая к установкам датчиков на лопатках и к громоздким устройствам для передачи от них информации) в эксплуатационном режиме агрегата без нарушения конструкции и герметичности его корпуса.

Поставленная цель достигается путем регистрации момента прохождения кромки свободного конца вращающейся лопатки мимо определенных точек корпуса (или его неподвижных деталей) и одновременно измерения угловой или окружной скорости движения лопатки. В упомянутых точках корпуса устанавливаются на определенных расстояниях друг от друга по направлению траектории движения кромки лопатки один, два, три (или больше) датчика (электроразрядного, емкостного, электродинамического, оптического, акустического или иного типа), способных подавать четкий сигнал, соответствующий моменту прохождения кромки лопатки точки, в которой расположен датчик.

Если кромка лопатки или все ее перо не колеблется, то для каждого значения скорости вращения вала (или диска с лопатками) промежутки времени между сигналами датчиков будут неизменными. В случае колебаний лопатки в плоскости, совпадающей (полностью или частично) с плоскостью вращения лопаток, промежутки времени между сигналами от датчиков изменятся и не будут оставаться одинаковыми в процессе вращения. Они будут оставаться неизменными лишь в частном случае, когда частоты вращения и колебания лопатки будут точно кратными друг другу, что практически трудно реализуется в течение существенного отрезка времени, а одинаковыми с теми промежутками времени, которые имеют место при неколеблющейся лопатке, фиксируемые при колебаниях лопатки промежутки времени будут тогда, когда (при соблюдении указанного кратного соотношения между частотами) колебания лопатки будут всегда такими, что момент прохождения датчика кромкой лопатки всегда будет совпадать с моментом ее среднего положения в процессе колебаний, это условие соблюсти еще более трудно, чем предыдущее, и вероятность этого случая практически нулевая).

Поэтому изменение промежутка времени между сигналами датчиков, а тем более изменение его от оборота к обороту вала, - это достаточный признак того, что лопатка колеблется и амплитуда ее колебаний тем больше, чем значительнее изменяются фиксируемые для каждого оборота указанные промежутки времени.

Задача обслуживающего агрегат персонала или автоматического устройства - определить величину амплитуды колебаний той или иной лопатки и, сопоставляя значение этой амплитуды с заранее установленным предельно доступным значением, принимать соответствующие меры при чрезмерных колебаниях лопатки.

Чтобы показать возможность осуществления изобретения, прежде всего следует дать оценку параметров, которыми оно характеризуется. К таковым относятся скорость вращения вала агрегата, частота и амплитуда колебаний лопаток, значения промежутков времени, подлежащих регистрации.

Для задач оценки базовой считается конструкция агрегата с валом, вращающимся со скоростью 10000 обор./мин, с диаметром облопаченного диска 1 м (диаметр собственно диска 0,5 м, длина пера лопаток 0,25 м) при частоте первой формы изгибных колебаний лопаток около 330 Гц. Для агрегатов более скоростных, с меньшими размерами и с более высокими частотами колебаний, техническая сторона реализации регистрирующей системы может лишь несколько усложняться, но принципиальные затруднения отсутствуют. Для менее скоростных агрегатов с большими габаритами регистрация амплитуды колебаний лопаток предлагаемым способом тем точнее, чем меньше скорости вращения вала.

Для указанной базовой модели агрегата с диском, имеющим несколько десятков лопаток, расстояние между свободными торцами соседних лопаток в плоскости вращения составляет около 5 см при 10000 обор./мин, это расстояние проходится кромкой лопатки примерно за 0,1 мс. Если размах колебаний (двойная амплитуда) торца лопатки будет около 1 см, то это означает, что необходимо регистрировать промежутки времени, отличающиеся друг от друга, примерно на 0,02 мс, т.е. на 20 мкс. Регистрация таких промежутков времени и их различий (вплоть до единиц и долей микросекунд) отработана во многих отраслях техники и не представляет каких-либо трудностей.

Следовательно, возможность реализации предложенного способа определения амплитуды колебаний лопаток на вращающемся валу различных агрегатов не вызывает сомнений. Рассмотрим несколько вариантов возможной реализации предложенного способа.

Устройство с одним датчиком.

На внутренней стороне корпуса агрегата в точке, находящейся над траекторией движения всех лопаток данного диска, датчик указанного выше типа устанавливается так, чтобы его сигнал максимально четко и однозначно отражал момент прохождения передней кромки пера лопатки мимо точки расположения датчика. Для регистрации сигналов датчика могут использоваться визуальные, автоматические или записывающие способы. В первом случае применяется электронный осциллоскоп, развертка которого запускается сигналом от вспомогательного датчика, связанного с валом агрегата, и оператор оценивает последовательность сигналов по экрану осциллоскопа, отмечая различия в промежутках времени между сигналами. Во втором случае автоматическое устройство оценивает разницу в промежутках времени между сигналами и, если эта разница превышает предельное значение, подается определенная команда. В третьем случае запись ведется на тот или иной носитель также с использованием в качестве метки сигнала от вспомогательного датчика, сопряженного с валом. И на экран осциллоскопа, и на упомянутый носитель подаются метки времени. Для удобства идентификации лопаток диска (при анализе отображенной на экране осциллоскопа или записанной информации) с валом агрегата может связываться несколько вспомогательных датчиков (вплоть до числа их, равного количеству лопаток на диске), сигналы которых помечаются тем или иным способом, позволяющим отличить их друг от друга.

Если при вращении вала колебания лопаток отсутствуют, то сигналы от корпусного датчика будут следовать через равные промежутки времени. При умеренных колебаниях лопаток различия в указанных промежутках времени не будут превышать некоторую, установленную заранее экспериментальным или расчетным путем допустимую величину. Если же колебания всех лопаток (при некоторых критических скоростях вращения вала) или одной или нескольких лопаток (вследствие технологических погрешностей изготовления или закрепления лопатки, или развившейся в ней усталостной трещины) будут чрезвычайно интенсивными, то различия соответствующих промежутков времени, устанавливаемые указанными выше способами, превысят предельные значения и этот режим должен считаться аварийным: в этом случае должны приниматься соответствующие меры.

Регистрация промежутков времени между сигналами датчика не должна быть однократной, поскольку при разовых индикациях вероятность определения максимального значения промежутка (а именно максимальное значение необходимо, ибо только оно соответствует амплитуде колебаний лопатки) невысока и требуется многократная, при многих оборотах вала, индикация сигналов датчика с тем, чтобы для выбранной лопатки установить упомянутое максимальное значение.

Таким образом, предлагаемое устройство с одним корпусным датчиком, как наиболее простое, может использоваться в качестве индикатора чрезмерно интенсивных колебаний лопаток, опасных с точки зрения их разрушения.

Однако как инструмент для измерения амплитуды колебаний лопатки - это устройство не очень эффективно, ибо значение промежутка времени между сигналами корпусного датчика, относящихся к соседним лопаткам, зависит не только от амплитуды колебаний выбранной лопатки, но и от интенсивности колебаний той соседней лопатки, с сигналом от которой ведется сравнение. Этот недостаток данного устройства устраняется следующим путем.

Устройство с двумя корпусными датчиками.

По траектории движения кромок вращающихся лопаток устанавливается не один, а два одинаковых датчика, аналогичных указанному выше. Расстояние между этими датчиками выбирается, исходя из значений скорости вращения ротора ω , частоты колебаний лопаток f и величины промежутка между кромками соседних лопаток d.

Если значение ω относительно мало, а f велико (т.е. полупериод колебаний лопаток меньше времени прохождения лопаткой расстояния d), то указанные два датчика можно размещать на расстоянии, не большем d, вдоль траектории движения кромок лопаток. В этом случае, если выбранная лопатка при вращении ротора не колеблется, то промежутки времени между сигналами датчиков (при одной и той же скорости вращения) будут одинаковыми. При колебаниях лопатки эти промежутки будут изменяться от оборота к обороту ротора. Разница между максимальным и минимальным значением этих промежутков, установленная на статически достоверной (большой) совокупности замеров, будет соответствовать размаху колебаний, а произведение этой разницы на линейную скорость кромки вращающейся лопатки будет равно размаху, т.е. двойной амплитуде колебаний. При этом сигналы датчиков от соседних лопаток не будут влиять (как в устройстве с одним датчиком) на определение временных промежутков, ибо они устанавливаются только по сигналам от выбранной лопатки. Регистрация и оценка сигналов датчиков, как и в предыдущем устройстве, могут осуществляться визуально посредством осциллоскопа (лучше двухлучевого) автоматически или путем записи с последующей расшифровкой.

Если частота вращения ротора близка частоте колебаний лопаток (везде имеются ввиду резонансные частоты колебаний лопатки), расстояние между точками расположения рассматриваемых двух корпусных датчиков (по траектории вращения кромок лопаток) должно быть увеличено так, чтобы полупериод колебаний лопатки всегда был меньше времени прохождения лопаткой этого расстояния между датчиками. В этом случае необходима система выделения рассматриваемых двух сигналов, соответствующих моментам прохождения выбранной лопаткой первого и второго датчиков из совокупности сигналов от других лопаток, или система подавления этой совокупности сигналов. Такие системы легко конструируются с использованием упомянутых выше вспомогательных датчиков, связанных с валом агрегата, при помощи которых отмечается угловое положение ротора (и закрепленных на нем лопаток) по отношению к корпусным датчикам, расположенным над кромками лопаток.

Устройство с тремя корпусными датчиками и с большим их числом.

Эти датчики, аналогичные указанным выше, устанавливаются над кромками лопаток в плоскости их вращения по тем же рекомендациям, которые изложены выше. Целесообразность установки трех и более датчиков объясняется появляющейся возможностью более простого, чем в случае предыдущих устройств, экспериментального установления формы колебаний кромок лопаток (а значит и их амплитуды). При этом подразумевается, что закон колебаний лопатки - гармонический, и предварительно производится (но это не обязательно) расчет основных резонансных частот (гармоник) колебаний лопатки. Далее генерируемый внешним источником опорный гармонический сигнал (с определенной частотой и амплитудой) подается на устройство сравнения, куда поступают сигналы от указанных корпусных датчиков с поправками, учитывающими скорость вращения ротора. Сопоставляя в подобранном масштабе закон следования сигналов датчиков с законом изменения опорного сигнала и добиваясь совпадения этих совокупностей сигналов путем варьирования параметров опорного, определяют искомую амплитуду колебаний лопатки.

Таким образом, показана принципиальная возможность реализации предложенного способа определения амплитуды колебаний лопаток турбин и компрессоров в условиях эксплуатационного вращения ротора, даны конкретные рекомендации, позволяющие создавать устройства, реализующие способ, и описаны схемы этих устройств. В настоящее время ведется экспериментальная обработка способа и проверка параметров предложенных устройств.

Практическая полезность изобретения очень велика ввиду того, что основная часть энергетических и транспортных машин оснащена турбинами и компрессорами, в которых лопатки по причине их чрезмерных вибраций нагрузок являются главным источником аварий с тяжелыми последствиями.

Использование: в контрольно-измерительной технике для бесконтактного измерения и непрерывного контроля амплитуды колебаний турбинных и компрессорных лопаток в эксплуатационных условиях. Сущность изобретения: регистрируют моменты прохождения кромки свободного конца лопатки мимо датчиков и измерение временных интервалов между моментами прохождения кромок свободных кондов лопаток мимо датчиков, вырабатывают с помощью моделирующей системы сигнал, близкий к гармоническим колебаниям лопатки с учетом поправок на ее вращение, по которому вырабатывают временные интервалы, аналогичные измеряемым, сравнивают измеряемые временные интервалы с временными интервалами, вырабатываемыми моделирующей системой, и при совпадении этих величин об амплитуде колебаний лопатки судят по амплитудному значению моделированного сигнала. Устройство для реализации способа содержит датчики, размещенные над кромками свободных концов лопаток в плоскости их вращения, и систему моделирования с регулируемыми параметрами гармонических сигналов, выходы которых соединены с входом электронного блока обработки сигналов. 2 с.п.ф-лы.

1. Способ определения амплитуды колебаний лопаток турбин и компрессоров в эксплуатационном режиме, основанный на бесконтактном съеме информации о колебаниях вращающихся лопаток, включающий регистрацию моментов прохождения кромки свободного конца лопатки мимо датчиков и измерение временных интервалов между моментами прохождения кромок свободных концов лопаток мимо датчиков, отличающийся тем, что вырабатывают с помощью моделирующей системы сигнал, близкий к гармоническим колебаниям лопатки с учетом поправок на ее вращение, по которому вырабатывают временные интервалы, аналогичные измеряемым, сравнивают измеряемые временные интервалы с временными интервалами, вырабатываемыми моделирующей системой, и при совпадении этих величин об амплитуде колебаний лопатки судят по амплитудному значению моделированного сигнала. 2. Устройство для определения амплитуды колебаний лопаток турбин и компрессоров в эксплуатационном режиме, содержащее датчики, размещенные в корпусе над кромками свободных концов лопаток в плоскости их вращения, вспомогательные датчики, связанные с валом турбин и компрессоров, и электронный блок обработки сигналов, отличающееся тем, что в него введена система моделирования с регулируемыми параметрами гармонических сигналов, при этом выходы системы моделирования и выходы датчиков соединены с входом электронного блока обработки сигналов, выполненного с возможностью сравнения измеренных временных интервалов между импульсами от датчиков с временными интервалами, вырабатываемыми системой моделирования.